從原理出發(fā)，交流異步/永磁同步電動機(jī)如何產(chǎn)生動力？

在電動汽車中，電動機(jī)是非常重要的一個關(guān)鍵零部件，分為兩種類型：同步電機(jī)和異步電機(jī)。同步電機(jī)主要指永磁同步電動機(jī)，而異步電機(jī)主要指三相異步電動機(jī)，本文解析兩種不同類型的電動機(jī)如何產(chǎn)生動力的。

 

 

交流異步電動機(jī)怎樣產(chǎn)生動力呢？

　　

交流電動機(jī)的工作原理：通電繞組在旋轉(zhuǎn)磁場里轉(zhuǎn)動。

 

 

 

 

電動機(jī)中的定子和轉(zhuǎn)子并不接觸，為什么給定子繞組通上交流電后，轉(zhuǎn)子就會旋轉(zhuǎn)呢?其工作原理應(yīng)用到兩大電磁定律：法拉第定律和楞次定律。

　　

當(dāng)定子上纏繞的繞組通上交流電后，由于交流電的特性，定子繞組就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的電磁場。轉(zhuǎn)子上的繞組是一個閉環(huán)導(dǎo)體，它處在定子的旋轉(zhuǎn)磁場中就相當(dāng)于在不停地切割定子的磁感應(yīng)線。根據(jù)法拉第定律，閉合導(dǎo)體的一部分在磁場里做切割磁感應(yīng)線的運動時，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流，而這個電流又會形成一個電磁場。

　　

這樣，在電動機(jī)中就有了兩個電磁場：一個是接通外部交流電后而產(chǎn)生的定子電磁場;另一個是因切割定子電磁感應(yīng)線而產(chǎn)生電流后形成的轉(zhuǎn)子電磁場。根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的磁場總要反抗引起感應(yīng)電流的原因(轉(zhuǎn)子繞組切割定子電磁場的磁感應(yīng)線)，也就是盡力使轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體不再切割定子磁場的磁感應(yīng)線，這樣的結(jié)果就是：轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體會“追趕”定子的旋轉(zhuǎn)電磁場，也就是使轉(zhuǎn)子跟著定子旋轉(zhuǎn)電磁場旋轉(zhuǎn)，最終使電動機(jī)開始旋轉(zhuǎn)。

　　

由于轉(zhuǎn)子總是在“追趕”定子電磁場的旋轉(zhuǎn)速度，并且為了能夠切割磁感應(yīng)線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總要比定子電磁場的轉(zhuǎn)速慢一點點(約為2%~5%)，也就是異步運行，所以才將這種產(chǎn)生感應(yīng)電流的電動機(jī)稱為交流異步電動機(jī)。

　　

以下是單向交流電動機(jī)的構(gòu)造：

 

 

 

 

通用汽車交流異步電動機(jī)的構(gòu)造如下：

 

 

 

 

永磁同步電動機(jī)怎樣產(chǎn)生動力？

　　

在交流異步電動機(jī)中，轉(zhuǎn)子磁場的形成要分兩步走：第一步是定子旋轉(zhuǎn)磁場先在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電流;第二步是感應(yīng)電流再產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場。在楞次定律的作用下，轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動，但又“永遠(yuǎn)追不上”，因此才稱其為異步電動機(jī)。如果轉(zhuǎn)子繞組中的電流不是由定子旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)的，而是自己產(chǎn)生的，則轉(zhuǎn)子磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場無關(guān)，而且其磁極方向是固定的，那么根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理，定子的旋轉(zhuǎn)磁場就會拉動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并且使轉(zhuǎn)子磁場及轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場“同步”旋轉(zhuǎn)。這就是同步電動機(jī)的工作原理。

　　

根據(jù)轉(zhuǎn)子自生磁場產(chǎn)生方式的不同，又可以將同步電動機(jī)分為兩種：

　　

一是將轉(zhuǎn)子繞組通上外接直流電(勵磁電流)，然后由勵磁電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)。這種由勵磁電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場的同步電動機(jī)稱為勵磁同步電動機(jī)。

　　

二是干脆在轉(zhuǎn)子上嵌上永久磁體，直接產(chǎn)生磁場，省去了勵磁電流或感應(yīng)電流的環(huán)節(jié)。這種由永久磁體產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場的同步電動機(jī)，就稱為永磁同步電動機(jī)。

 

 

 

 

以下是通用汽車和奧迪的永磁同步電動機(jī)的構(gòu)造：

 

 

 

 

最后還必須說一下，永磁同步電動機(jī)有什么特點呢？

　　

永磁電動機(jī)具有較高的功率/質(zhì)量比，體積更小，質(zhì)量更輕，比其他類型電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩更大，電動機(jī)的極限轉(zhuǎn)速和制動性能也比較優(yōu)異，因此永磁同步電動機(jī)已成為現(xiàn)今電動汽車應(yīng)用最多的電動機(jī)。但永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導(dǎo)磁性能可能會下降，或發(fā)生退磁現(xiàn)象，有可能降低永磁電動機(jī)的性能。另外，稀土式永磁同步電動機(jī)要用到稀土材料，制造成本不太穩(wěn)定。